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來(lái)源：DigiKey 作者：Stephen Evanczuk 航空航天和國防 (ADEF) 系統設計人員面臨著(zhù)迫切的需求，要求通信系統不斷降低功耗并縮小體積，并能夠對動(dòng)態(tài)信號環(huán)境做出敏捷響應。軟件無(wú)線(xiàn)電 (SDR) 技術(shù)超越了傳統無(wú)線(xiàn)電架構，可幫助滿(mǎn)足對 ADEF 無(wú)線(xiàn)電快速變化的需求，但 SDR 的實(shí)施也提出了諸多挑戰，包括滿(mǎn)足功能要求和滿(mǎn)足減小尺寸、重量和功耗 (SWaP) 的需求。 本文介紹了 Analog Devices 提供的一種更高效的 SDR 解決方案，其可以簡(jiǎn)化低功耗、緊湊型敏捷通信系統的設計，同時(shí)又不影響性能。 新出現的挑戰帶來(lái)了更苛刻的要求 在越來(lái)越多的工業(yè)和任務(wù)關(guān)鍵型應用中，設計人員面臨著(zhù)實(shí)現更高效通信的需求，這些應用包括安全無(wú)線(xiàn)電通信、自適應雷達、電子戰、增強型 GPS 導航。這些新挑戰催生了對增強寬帶運行、更高動(dòng)態(tài)范圍、更優(yōu)頻率捷變、可重配置能力的需求。然而，隨著(zhù)通信系統遷移到體積更小的電池供電平臺，包括無(wú)人機 (UAS) 和便攜式設備，這些更苛刻的功能要求可能會(huì )與減小 SWaP 的需求相沖突。 基于傳統分立式超外差無(wú)線(xiàn)電架構的設計解決方案具有高性能、寬動(dòng)態(tài)范圍、小雜散噪聲的優(yōu)點(diǎn)。這種方法的核心是從中頻 (IF) 分離出所需信號，對于設計人員來(lái)說(shuō)，這是一項挑戰，通常會(huì )導致設計復雜和高 SWaP，并且幾乎不具備可重配置能力（圖 1）。 
圖 1：傳統超外差無(wú)線(xiàn)電架構可以滿(mǎn)足性能目標，但由于其復雜性，該架構無(wú)法實(shí)現最小化 SWaP 的新興目標。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 相比之下，直接變頻（零中頻）架構既降低了濾波要求，又減少了對高帶寬模數轉換器 (ADC) 的需求，從而簡(jiǎn)化了設計，可在單芯片上實(shí)施（圖 2）。
圖 2：零中頻無(wú)線(xiàn)電架構可滿(mǎn)足對更高性能和更低 SWaP 的需求，但信號隔離是一項挑戰。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 盡管直接變頻架構具有明顯的優(yōu)勢，但其自身的實(shí)施難題也限制了它的廣泛應用。在這種架構中，信號被轉換為本地振蕩器 (LO) 頻率的射頻 (RF) 載波，但直流 (DC) 偏移誤差和 LO 漏泄會(huì )導致誤差通過(guò)信號鏈傳播。此外，即便在同一芯片內，信號路徑的差異也會(huì )導致同相 (I) 和正交 (Q) 信號出現增益或相位不匹配，從而產(chǎn)生正交誤差，影響信號隔離。 SDR 技術(shù)具有克服傳統無(wú)線(xiàn)電架構局限性的潛力，但很少有解決方案能夠滿(mǎn)足與 ADEF 應用相關(guān)的更廣泛要求。使用 Analog Devices 的 ADRV9002 射頻收發(fā)器，開(kāi)發(fā)人員可以輕松滿(mǎn)足這些應用對更高性能和功能的需求，同時(shí)減小 SWaP。 集成功能以更低 SWaP 的提供優(yōu)化的性能 支持從 30 MHz 到 6,000 MHz 的頻率范圍，ADRV9002 是一款高度集成的收發(fā)器，包含滿(mǎn)足各種應用需求所必需的所有射頻、混合信號和數字功能。該器件同時(shí)支持時(shí)分雙工 (TDD) 和頻分雙工 (FDD) 工作方式，具有單獨的雙通道直接變頻接收器和發(fā)射器子系統，包括可編程數字濾波器、直流偏移校正和正交誤差校正 (QEC)。 在片上合成器子系統中，ADRV9002 具有兩個(gè)不同的鎖相環(huán) (PLL) 路徑：一個(gè)用于高頻射頻路徑，另一個(gè)用于數字時(shí)鐘和轉換器采樣時(shí)鐘。最后，該器件的數字信號處理模塊包括一個(gè) Arm®M4 嵌入式處理器，用于處理自校準和控制功能（圖 3）。
圖 3：ADRV9002 射頻收發(fā)器集成了雙接收 (RX) 和發(fā)射 (TX) 子系統。（圖片來(lái)源：Analog Devices） ADRV9002 具有提供完整信號鏈的發(fā)射器和接收器子系統，可在零中頻模式或低中頻模式下工作，適用于對相位噪聲敏感的應用。每個(gè)發(fā)射器子系統都提供一對數模轉換器 (DAC)、濾波器和混頻器，用于重新組合 I 和 Q 信號，并將其調制到載波頻率，以便進(jìn)行傳輸。 每個(gè)接收器子系統都集成了一個(gè)用于增益控制的電阻輸入網(wǎng)絡(luò )，為電流模式無(wú)源混頻器饋送信號。然后，一個(gè)跨阻放大器將混頻器的電流輸出轉換為電壓電平，并通過(guò)一個(gè)具有高動(dòng)態(tài)范圍的 ADC 進(jìn)行數字化。在 TDD 運行模式中或僅使用一個(gè)接收器系統的 FDD 應用中，發(fā)射器空閑時(shí)隙期間，未使用的接收器輸入可用于監測發(fā)射器通道的 LO 漏泄和 QEC，或未使用的接收器輸入可用于監測功率放大器 (PA) 輸出信號電平。 后一種功能可在 ADRV9002 的集成數字預失真 (DPD) 功能中發(fā)揮作用，該功能利用監測的功率放大器信號電平來(lái)應用線(xiàn)性化輸出必需的適當預失真。該功能使 ADRV9002 能夠驅動(dòng)功率放大器接近飽和，從而優(yōu)化其效率。 調節功率和性能 ADRV9002 器件在 196 球芯片級封裝 (CSP) 球柵陣列 (BGA) 中提供了完全集成的解決方案，并最大限度地減小了 SDR ADEF 通信系統的尺寸和重量。為了幫助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)一步優(yōu)化功耗，ADRV9002 集成了多種功能，專(zhuān)門(mén)設計用于幫助開(kāi)發(fā)人員在性能與功耗之間找到合適的平衡點(diǎn)。 在塊級別，開(kāi)發(fā)人員可在單信號路徑塊上部署功率調整，以降低性能為代價(jià)，換取更低的功耗。此外，還可以禁用 TDD 接收 (RX) 和發(fā)射 (TX) 幀中的數據塊，犧牲 RX/TX 或 TX/RX 的周轉時(shí)間來(lái)降低功耗。為了進(jìn)一步幫助開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化功耗與性能，每個(gè) ADRV9002 接收器子系統都包括兩對 ADC。其中一對 ADC 由高性能 Sigma-Delta ADC 組成，而第二對 ADC 可在功耗較為關(guān)鍵時(shí)接手工作。 對于周期性不活動(dòng)的應用，可以使用 ADRV9002 的 RX 監測模式。在該模式下，ADRV9002 以編程設定的占空比，在最低功耗睡眠狀態(tài)與檢測狀態(tài)之間交替運行。在檢測狀態(tài)下，該器件會(huì )激活接收器，并嘗試在由開(kāi)發(fā)人員編程的帶寬和 RX LO 頻率上獲取信號。如果該器件測量到的信號功率水平高于設定的閾值，則會(huì )退出監測模式，ADRV9002 的模塊加電，以處理所需的信號。 快速原型設計和開(kāi)發(fā) 為了幫助工程師快速進(jìn)行評估、原型設計和開(kāi)發(fā)，Analog Devices 為基于 ADRV9002 的系統提供了廣泛的硬件和軟件支持。 在硬件支持方面，Analog Devices 提供了一對基于 ADRV9002 的無(wú)線(xiàn)電卡： · ADRV9002NP/W1/PCBZ，適用于工作頻率在 30 MHz 至 3 GHz 范圍內的低頻帶應用 · ADRV9002NP/W2/PCBZ，適用于工作頻率在 3 至 6 GHz 范圍內的高頻段應用 這些無(wú)線(xiàn)電卡配備 FMC 連接器，支持板載 ADRV9002，具有功率調節和硬件接口，以及時(shí)鐘和多芯片同步 (MCS) 分配功能。這些卡通過(guò) FMC 連接器連接到 FPGA 主板，例如 AMD 的 ZCU102 評估板，以實(shí)現功率和應用控制。 Analog Devices 在支持包中提供了 ADRV9002NP 無(wú)線(xiàn)電卡的完整原理圖和物料清單 (BOM)。原理圖和物料清單為大多數應用的定制硬件開(kāi)發(fā)提供了有效的著(zhù)手點(diǎn)。某些應用需要額外的射頻前端，以滿(mǎn)足特定的信號調節要求。對于這些應用，開(kāi)發(fā)人員只需增加幾個(gè)元器件，即可完成設計（圖 4）。
圖 4：高度集成的 ADRV9002 收發(fā)器使開(kāi)發(fā)人員能夠快速實(shí)現專(zhuān)用設計。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在本示例中，開(kāi)發(fā)人員可以使用 Analog Devices 的下列電源管理元器件，快速實(shí)現合適的射頻前端： · ADRF5160 射頻開(kāi)關(guān) · HMC8411 低噪聲放大器 (LNA) · ADMV8526 數字可調諧帶通濾波器 · HMC1119 射頻數字步進(jìn)衰減器 (DSA) · HMC8413 激勵放大器 · HMC8205B 功率放大器 Analog Devices 通過(guò)文檔和可下載軟件包提供全面的軟件開(kāi)發(fā)支持。使用上述開(kāi)發(fā)硬件的開(kāi)發(fā)人員可以基于 Analog Devices 的產(chǎn)品線(xiàn)軟件或開(kāi)源軟件包來(lái)進(jìn)行原型設計和開(kāi)發(fā)。 本文下面將僅討論產(chǎn)品線(xiàn)軟件。有關(guān)開(kāi)源開(kāi)發(fā)方法的更多信息，請參閱 Analog Devices 的《ADRV9001/2 原型開(kāi)發(fā)平臺用戶(hù)指南》(ADRV9001/2 Prototyping Platform User Guide)。Analog Devices 規定，公司支持文檔中的術(shù)語(yǔ)“ADRV9001”是一個(gè)系列代號，包括 ADRV9002 以及 ADRV9001 系列的其他成員。因此，下面的文本或圖表中提及的 ADRV9001 內容適用于本文重點(diǎn)介紹的 ADRV9002 器件。 Analog Devices 基于 Windows 的收發(fā)器評估軟件 (TES) 工具通過(guò)該公司的產(chǎn)品線(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)工具包 (SDK) 分發(fā)，為快速配置和評估收發(fā)器性能提供了一個(gè)便捷的起點(diǎn)。 在使用 Analog Devices 基于 ADRV9002 的無(wú)線(xiàn)電卡和 AMD 的 ZCU102 評估板進(jìn)行評估和原型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，TES 工具提供了一個(gè)圖形用戶(hù)界面 (GUI)，用于配置硬件和觀(guān)察捕獲的數據（圖 5）。
圖 5：使用 SDK 工具包中的 TES 工具，開(kāi)發(fā)人員能夠在支持的評估平臺上快速開(kāi)始評估 ADRV9002 收發(fā)器。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 然后，TES 工具會(huì )自動(dòng)生成 C# 代碼，這些代碼可以編譯到 Linux 環(huán)境、MATLAB 環(huán)境或 Python 環(huán)境中。該 SDK 提供一整套軟件庫和應用程序編程接口 (API)，包括為 AMD ZCU102 平臺開(kāi)發(fā)的 ADRV9001 API 軟件包。 SDK 流程還直接支持從評估板評估和原型開(kāi)發(fā)遷移到開(kāi)發(fā)人員的定制目標環(huán)境（圖 6）。
圖 6：SDK 架構允許開(kāi)發(fā)人員輕松地將評估結果擴展到自己的目標平臺。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在此遷移流程中，開(kāi)發(fā)人員像以前一樣讓 TES 自動(dòng)生成代碼。但是，開(kāi)發(fā)人員不是直接使用這些代碼，而是將所生成代碼的編輯后版本部署到目標平臺上。在實(shí)踐中，所需的編輯工作主要限于刪除引用 TES 工具所識別但目標系統中不需要的硬件組件的函數調用。該 SDK 架構包括 ADRV9001 庫與開(kāi)發(fā)人員硬件之間的硬件抽象層 (HAL) 接口，這樣開(kāi)發(fā)人員只需提供為特定硬件實(shí)現 HAL 接口代碼的定制代碼。因此，開(kāi)發(fā)人員可以快速從使用 Analog Devices 無(wú)線(xiàn)電卡和 AMD 板的評估轉向定制目標環(huán)境的開(kāi)發(fā)。 總結 在日益復雜的信號環(huán)境中，航空航天和國防 (ADEF) 應用面臨著(zhù)越來(lái)越多的挑戰。除了提供更寬的頻率范圍，滿(mǎn)足對更高性能的需求之外，開(kāi)發(fā)人員還必須減小 SWaP，以支持這些應用向電池供電系統的遷移。使用 Analog Devices 高度集成的收發(fā)器，開(kāi)發(fā)人員可以實(shí)施 SDR 解決方案，更有效地滿(mǎn)足這些要求。 |
